一體化復合材料動車組雷電效應仿真*

武丹丹 ，林鈺超 ，馬 謝 ，宋 滔 ，沈冬遠 ，鄧 招

（1.中國電子科技網絡信息安全有限公司，四川 成都 610041；2.上海三零衛士信息安全有限公司，上海 200233）

0 引 言

動車組在高速運行過程中，隨時都可能遭遇到惡劣的雷電天氣。傳統的金屬結構的動車車體，由于其電磁屏蔽性能好，且雷電防護的設計和驗證方法都趨于完善，因此遭受雷擊的概率極小。隨著科學技術的不斷發展，復合材料因其優良的性能優勢被廣泛應用于工業生產的各個領域，尤其是在航空航天領域的應用較為成熟。若采用一體化碳纖維復合材料進行車體設計，能夠很好的解決目前傳統金屬材料車體由于提速后帶來的振動、沖擊、阻力、噪聲等問題，應對如高原、沙漠、高溫、高寒及高海拔等復雜環境，提高列車節能性、環保性、舒適性、便利性[1]。目前，相關人員正著手研究如何有效利用復合材料代替傳統的鋁合金材料，將其應用于動車頭車部位。由于復合材料的各向異性，相比于傳統的金屬材料而言，其導電性和導熱性能相對較差。此時，若雷電防護設計不過關，所產生的雷電效應就會對復合材料車體結構帶來損傷，同時雷電產生的大電流和高電壓也會對頭車內部的作業人員和控制系統的敏感電子設備等帶來巨大的安全隱患。

1 雷電損傷效應機理

雷電是一種高電壓和大電流的自然放電現象，惡劣的雷電電磁環境的存在給動車組的安全性構成了潛在的安全隱患。對一體化復合材料動車組來說，當雷電直接作用于非金屬復合材料頭車時，巨大的雷電流直接作用于車體局部，而弱導電能力的復合材料導流能力不足，形成局部高熱而擊穿燒毀的直接效應；同時，雷電流在泄放過程中，雷電流可能會經由金屬車體與非金屬復合材料頭車之間的結合處、門窗部位的縫隙處等部位進入頭車內部，在電場耦合和線纜耦合的作用下，車體內部形成強電磁場環境。此時，屏蔽不佳的線纜上會耦合出超過控制系統電子信息設備承載能力的大電流和高電壓，導致車內電子電氣設備黑屏、死機甚至燒毀的間接效應。另外，若車內電磁環境中的場強高于相關標準中規定的作業人員電磁輻射暴露限值時，會給頭車內部作業人員帶來安全隱患。

目前，復合材料在航空領域應用的較多，雷電電磁效應的研究也主要集中在該領域。有人提出了通過給復合材料增加延性雷電防護金屬網等措施對雷電直接效應進行防護，并通過相關的數值仿真和測試驗證了防護措施的有效性[2]。有人進行了復合材料結構對雷擊附著點的影響以及電搭接等方面的研究[3-4]。作者在上述相關研究的基礎上，借助電磁仿真手段，分析了雷電電磁脈沖環境對一體化復合材料動車組頭車的影響。以期能夠為一體化復合材料動車組的雷電防護設計提供一定的指導建議。

2 雷電電磁脈沖波形及頻譜特征

為了便于仿真和分析，需要對雷電電磁脈沖波形進行簡化。仿真研究參考了美國汽車工程師學會（Society of Automotive Engineers，SAE）最新標準《SAE ARP 5412B 雷電環境及相關試驗波形》中規定的波形[5]。由于雷電流波形A是云地首次雷擊，屬于最嚴酷的雷電環境。因此在仿真時，借鑒了與飛機雷電電磁效應密切相關的雷電流分量A進行有針對性的耦合分析。A電流分量由雙指數波形描述，表達式為：

式中，I0為幅值，單位為A；t為時間，單位為s；α，β為時間常數，單位為s-1。I0=21 8810 A，α=11 354s-1，β=647 265s-1。故其電流波形如圖1所示。具有200 kA的峰值，1.4×1011A/μs的最大初始電流上升率，以及6.4 μs、69 μs的峰值和半峰值時間。

圖1 雷電流時域波形（A電流分量）

可以看到，雷電流波形具有前沿陡峭、后延相對較緩的特征。由于前沿陡峭，雷電流頻譜分布也較寬。但能量仍主要分布在10 MHz頻段以內，如圖2所示。

3 仿真分析

3.1 建立模型

以中國高速鐵路（China Railway High-speed，CRH）某型號動車結構作為仿真對象的仿真模型，尺寸為27 600 mm。為方便仿真分析及結果對比，將車體司機室外罩、車體、轉向架等均設定為碳纖維復合材料。由于一體化復合材料車體與風擋、車窗邊框部分的電搭接狀態對耦合進入車體內部的電場強度影響很大，且目前該一體化設計還處于研究設計階段。因此，本仿真中對車體與風擋、車窗邊框部分不做電搭接處理。而與之進行仿真對比的全鋁合金車體在仿真中默認已進行了完善的屏蔽和電搭接處理。車體內部有中控臺和作業人員坐席。車體結構如圖3所示。

圖2 雷電流頻譜能量分布

圖3 動車頭車結構模型

時域有限差分法（Finite Difference Time Domain Method，FDTD）是研究電磁問題的一種重要的數值計算方法，能夠在時域范圍內直接計算得到寬帶結果。基于FDTD的三維全波電磁仿真軟件（Computer Simulation Technology，CST）電磁進行仿真分析，該軟件具有強大的仿真建模能力和數據后處理模塊，仿真結果準確，使用和認可度高。由于雷電效應為瞬態電磁效應，采用該軟件進行車體雷電電磁耦合效應分析是合理可行的。

在仿真中，如果直接以外部入射的平面波作為干擾源，則無法計算出雷電回擊電流近場條件下車內耦合場。一個有效的辦法是將雷電回擊通道和車體置于同一個三維計算空間內進行計算，但由于雷電放電通道高達千米以上，而車體尺寸一般僅有幾十米，將會占用非常大的計算空間，所要求的計算機內存和計算時間均難以滿足。因此，仿真采用一個折中的方法，根據雷電電流波形，首先計算出雷電首次回擊地閃近區輻射場，然后將該輻射場加載到計算車體耦合場的連接邊界上。根據相關資料[6]，當雷電電流為200 kA，采用傳輸線模型（Transmission Line，TL）計算出距離雷電通道不同距離處水平電場波形。距離放電通道50 m地面上6 m處垂直電場峰值場強值約為500 kV/m；距離放電通道500 m地面上6米處垂直電場峰值場強值約為80 kV/m；距離放電通道2 000 m地面上6 m處垂直電場峰值場強值約為16 kV/m。由于50 m距離處車體受到直擊雷的概率較大，而2 000 m的距離較遠，仿真結果不具備代表性。本仿真主要關注雷電電磁脈沖感應雷的耦合效應，因此，以500 m垂直距離處，80 kV/m強度的波形作為仿真計算的輸入波形比較合理。

3.2 表面感應電流仿真

分別進行全鋁合金車體和一體化復合材料車體表面電流仿真，以便于進行分析比較，計算時間設置為200 μs。仿真結果如圖4所示。

圖4 車體表面電流

可以看到，在200 μs的仿真計算時間內，耦合疊加在車體上的電流較高。圖4（a）中，全鋁合金車體表面電流最大值達到100A。車頂的空調部位表面電流最大，風擋玻璃和車窗縫隙處的耦合電流最大值達到75 A。圖4（b）中，一體化復合材料車體表面電流最大值達到40 A。車頂的空調部位表面電流最大。風擋玻璃和車窗縫隙處的耦合電流最大值達到20 A。

由于全鋁合金導電能力強于復合材料，感應電流值較大。如果車體的雷電接地性能設計良好，雷電流就會快速的泄放到大地，不會對車體、車內設備和人員等造成損傷。而復合材料由于其各向異性的特點，雖然表面耦合電流小于鋁合金材料，但必須對其進行良好的導流引流和接地設計才能將雷電流快速泄放。由于風擋和車窗邊框部位是金屬材質，且耦合電流較大，若金屬和非金屬的結合面搭接設計不合理，雷電流在碳纖維復合材料與金屬件的組合結構上傳播時，產生電火花，并形成強烈的放電，發生嚴重的雷擊放電與起弧的問題。另一方面，由雷電帶來的熱損傷效應不可忽視，嚴重時還會造成車體表面的燒蝕和擊穿。

3.3 車內電磁環境仿真

在車體內部中控臺屏幕處、坐席位置處設置了共18個電場輻射探針。之后分別進行全鋁合金車體和復合材料車體內部輻射強度仿真，計算時間設置為200 μs。仿真設置圖5所示。

圖5 動車頭車結構模型

綜合分析圖6、圖7的方針結果，可以看到，一體化復合材料車體內電場輻射最高達到260 V/m，電磁輻射帶來的危害較為嚴重；全鋁合金車體內電場輻射最高為48 V/m，遠遠小于一體化復合材料車體內部電場輻射峰值。一體化復合材料車體內電場輻射較大的原因主要在于其非金屬材料與窗體金屬邊框的電搭接和電連續等問題的設計實施難度比全金屬材料車體的防護設計更復雜，導致窗體縫隙成為雷電電磁脈沖耦合進入車體內部的一個重要的耦合通道。

圖6 中控臺屏幕處感應電場

圖7 坐席處感應電場

4 防護措施

通過上述雷電電磁效應的仿真和分布規律的分析可以看到，一體化復合材料動車組頭車在使用碳纖維復合材料進行車體設計后，能夠很好的解決目前傳統金屬材料車體由于提速后帶來的一系列問題。但與此同時，碳纖維復合材料的大面積使用，也使得動車組在雷電環境中更容易受到雷電電磁環境的損傷和破壞。

仿真主要是針對全鋁合金和一體化碳纖維復合材料列車頭車在遭受雷電間接效應時車體表面電流和車內電磁輻射環境的分布情況。仿真結果表明，復合材料表面耦合電流小，導流性能差，必須對其表面進行良好的導流引流和接地設計將雷電流快速泄放。同時，由于窗體縫隙是雷電間接效應進入車體內部的一個重要的耦合通道，必須處理好風擋和車窗邊框部位非金屬與金屬結合面之間的電搭接和電連續問題。因此，基于上述問題提出以下三點防護建議：

（1）對一體化復合材料表面進行良好的導流引流設計。目前在提高碳纖維復合材料表面導流引流性能方面的一個最有效的方法應用延性雷電防護金屬網，主要原理是將金屬導附加物或者不同結構的金屬網系統附加于復合材料表面，以提供優良的導電性能。目前國內外常見的雷電防護金屬網主要為金屬絲編織網和延性金屬網，材料主要為銅和鋁[3]。由于碳纖維和金屬的自感系數不同，雷電流在碳纖維復合材料與金屬件的組合結構上傳播時，可能會發生嚴重的雷擊放電與起弧問題。因此，需要根據實際需求對不同引雷結構的復合材料樣件開展仿真及試驗測試工作。仿真內容應該包括：不同引雷結構金屬網（金屬編織網、延性金屬沖孔網、延性金屬斜拉網）雷電流沖擊效應仿真；不同銅網設計參數（梗寬度、厚度、寬度、網孔密度等）下雷電流沖擊效應仿真。試驗測試內容應該包括：觀察金屬銅網試驗件引弧點在經受雷電沖擊作用后，銅網和碳纖維的損傷情況，判斷金屬網的防護效果是否滿足要求；分析電流通路、電流電平和搭接阻抗控制量級驗證復合材料表面與其它復合材料表面、金屬接合表面、金屬連接件（墊圈、螺栓、螺母等）的電連續性。

（2）對復合材料車體進行自頂向下的雷電流泄放路徑規劃設計。由于雷電流泄放需要結合接地網絡的電氣結構進行相關的熱效應、爬電效應、形變效應等分析，屬于多物理場的分析問題，需要根據總體指標需求進行“自頂向下”的按需設計和規劃。要考慮是否可以避開敏感設備，選擇最低阻抗路徑。還需要結合實際的接地測試數據，才能保證雷電流泄放通道的合理規劃。另外，動車組遭遇雷擊時通過車輪與鐵軌會形成雷電流泄放通道，故必須對鐵軌進行接地設計，如每個供電段建設共用接地系統。直擊雷泄放通道附近雷電電磁脈沖輻射較高，為避免復合材料列車受電電壓降低使電氣接口單元的抗雷擊過電壓能力下降，動車組列車設備需要進行性綜合防雷設計。包括：改善電磁兼容環境條件，包含屏蔽、等電位設置以及合理布線；分區、分級、分設備設置浪涌保護器。

（3）對一體化碳纖維復合材料車體進行良好的接地設計。車體接地設計不合理，會導致動車組在遭遇雷電時，由于雷電流不能及時被泄放，產生的大電壓和浪涌直接損壞車內設備。在設計過程中，必須充分考慮司機室車廂的電氣及電磁特性，根據電子及電氣設備布局圖，開展接地網絡、等電位連接、零電位基準、電荷泄放途徑等方面的設計。如通過材料選型、工藝改進等方法，直接提高碳纖維車體本身導電性能，將整車接地阻抗降到10 Ω以下；通過整車嵌入式金屬接地網絡設計，采用多種接地網構成及安裝方式，將整車接地阻抗降低，或針對特殊設備需求，設計獨立接地通道，滿足其接地需求；根據車廂內所有設備的電氣參數和工作頻率，開展整車電子設備系統電磁兼容性分析，劃分可共用接地回路的設備組，并依據最小公共阻抗原則進行接地網絡原理圖設計；在進行接地網絡原理圖設計時，對整車信號地、電源地、安全地進行分開設計，依據最短接地回路原則進行接地區域劃分，完善接地網絡原理圖設計。

5 結 語

從高速列車發展現狀來看，進行一體化設計理念下的復合材料應用能夠實現列車各性能平衡發展，同時也使得車體更容易遭受雷電電磁環境的損傷和破壞。當前僅針對車身設計為碳纖維的動車組頭車在雷電電磁環境中的耦合效應進行了仿真分析，基于結果提出了合理化、可行性高的防護建議，對于指導工程設計具有重要的指導意義。但在實際工程應用中，一體化復合材料動車組車身復合材料的應用將會是多種不同復合材料的按需設計，這將會是今后很長一段時間內研究的熱點。